基于自適應(yīng)模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為降低接收機(jī)溫度變化對微波輻射計(jì)測量結(jié)果的影響，保障其測量精度，設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)以DSP作為中央處理器，采集接收機(jī)內(nèi)部溫度信號，并利用自適應(yīng)模糊PID控制方法在線調(diào)整PID控制參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并滿足控制精度要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在實(shí)際使用過程中，可以保證接收機(jī)溫控精度在±0.02 ℃以內(nèi)，滿足系統(tǒng)對高精度恒溫控制的要求。

關(guān)鍵詞：輻射計(jì);DSP;自適應(yīng);模糊控制;溫控系統(tǒng)

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0034-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.009

0 引言

在氣象探測領(lǐng)域，中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所自主研發(fā)的QFW-6000型微波輻射計(jì)[1]通過實(shí)時(shí)測量大氣微波輻射信號，監(jiān)測大氣積分水汽含量、路徑液態(tài)水含量的連續(xù)變化，反演輸出大氣溫、濕度廓線等，能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)、臨近天氣預(yù)報(bào)，提高中小尺度天氣的監(jiān)測預(yù)警能力;通過對災(zāi)害性天氣加密觀測，對其變化趨勢和影響區(qū)域進(jìn)行科學(xué)研判，提高預(yù)報(bào)的精細(xì)化水平;同時(shí)也可以為人工影響天氣作業(yè)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)、作業(yè)條件的綜合判別和作業(yè)實(shí)施提供依據(jù)，減少人工影響天氣作業(yè)的盲目性，增加作業(yè)的科學(xué)性。

現(xiàn)如今，溫度控制技術(shù)主要包括定值開關(guān)控制、PID控制與智能控制[2]。定值開關(guān)控制適用于溫度要求不高的場合，不適用于該系統(tǒng)。傳統(tǒng)PID溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好，且具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在大多生產(chǎn)控制過程中獲得了較好的控制效果并得到了廣泛應(yīng)用，但在處理一些復(fù)雜、非線性、不確定性的系統(tǒng)時(shí)，其性能往往會(huì)受到限制。智能控制[3]則利用高性能計(jì)算機(jī)與專家系統(tǒng)等智能設(shè)備的優(yōu)勢進(jìn)行算法優(yōu)化，從而較好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

本文結(jié)合PID控制與智能控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)模糊PID控制的高精度溫控系統(tǒng)[4]，對PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定，使系統(tǒng)達(dá)到溫控精度。最后對設(shè)備實(shí)際測試，該溫控系統(tǒng)為輻射計(jì)接收機(jī)提供了穩(wěn)定的工作溫度，具有更好的自適應(yīng)性、魯棒性和控制精度[5]，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

QFW-6000型微波輻射計(jì)主要由天線、接收機(jī)、伺服控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、中央處理系統(tǒng)等組成，接收機(jī)為輻射計(jì)核心部件，包含V波段和K波段，接收機(jī)將接收到的微弱信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并運(yùn)用反演算法，連續(xù)輸出氣象產(chǎn)品數(shù)據(jù)。微波輻射計(jì)為被動(dòng)接收設(shè)備，不主動(dòng)發(fā)射激勵(lì)信號，接收的信號為大氣微弱的輻射噪聲信號，特別容易受自身溫度噪聲影響，自身溫度的變化會(huì)極大地影響接收機(jī)的輸出電壓，進(jìn)而影響輻射計(jì)的整體測量精度。因此，接收機(jī)的高精度恒溫控制系統(tǒng)是微波輻射計(jì)不可或缺的重要組成部分，是輻射計(jì)高精度測量的前提條件。

1.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以DSP28335芯片作為控制系統(tǒng)的核心，通過接收機(jī)內(nèi)部的高精度溫度傳感器獲取多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字濾波后輸入自適應(yīng)模糊PID控制器，經(jīng)算法運(yùn)算后輸出PWM控制信號調(diào)節(jié)輸出電流大小，控制加熱或制冷模塊功率，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

溫控系統(tǒng)硬件功能包括電源模塊、處理器單元、控制輸出單元、溫度采集單元、通信單元等;電源模塊包括系統(tǒng)電源及溫控電源，系統(tǒng)電源通過電源模塊將外部供應(yīng)電源轉(zhuǎn)換成采集控制板各單元需要的電源，供內(nèi)部使用;溫控電源則經(jīng)過控制板輸出到外部恒溫單元的加熱或制冷設(shè)備，通過控制輸出單元對輸出功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒溫單元的溫度控制。處理器單元主要包括DSP電路、晶振電路、燒寫電路等處理器最小系統(tǒng)。溫度采集單元?jiǎng)t用于連接數(shù)字溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集接收機(jī)溫度數(shù)據(jù)。通信單元主要包括一路CAN總線電路，與上位機(jī)進(jìn)行通信等。圖1為恒溫控制系統(tǒng)的總體框圖。

1.2 各模塊電路

1.2.1 DSP處理單元

TMS320C2000系列DSP處理器集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。DSP處理器最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

DSP處理單元電路主要由芯片復(fù)位電路、JTAG燒寫電路及晶振電路等組成，構(gòu)成DSP處理器最小系統(tǒng)電路。

1.2.2 電源單元

恒溫控制電源采用系統(tǒng)電源與溫控電源分開設(shè)計(jì)，兩者相互獨(dú)立，中間通過光耦控制輸出，保證了系統(tǒng)電源穩(wěn)定性。系統(tǒng)電源輸入電壓為5 V輸入，經(jīng)過電源芯片轉(zhuǎn)化成3.3 V和1.9 V，其中根據(jù)DSP上電時(shí)序要求，1.9 V電源芯片受控3.3 V芯片，當(dāng)3.3 V正常上電后，使能1.9 V電源芯片輸出電壓。因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)有模擬量信號，該數(shù)字電源通過電感輸出模擬電源為模擬信號供電。電源設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

1.2.3 控制輸出單元

控制電路由光耦及CMOS管組成，光耦輸入端連接DSP控制信號，輸出端連接CMOS控制端，通過控制CMOS通斷實(shí)現(xiàn)對恒溫設(shè)備的功率控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備恒溫控制。該系統(tǒng)恒溫控制功率主要受CMOS芯片性能影響，所選芯片最大電流為45 A，滿足功率要求。控制輸出電路如圖4所示。

1.2.4 通信單元

本系統(tǒng)包含一路CAN通信電路。CAN總線采用多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間自由通信。CAN網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體框架

本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)軟件主要由主控芯片通過溫度傳感器采集接收機(jī)內(nèi)部溫度，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，對溫度偏差及偏差變化率進(jìn)行溫控精度判別，如果溫差范圍滿足控制精度，則系統(tǒng)仍沿用之前PID控制器參數(shù)進(jìn)行溫度控制，如果溫差范圍大于控制精度，則軟件介入自適應(yīng)模糊控制進(jìn)行PID參數(shù)自整定，直至調(diào)整至溫度控制精度。

程序流程圖如圖6所示。

2.2 溫度控制算法設(shè)計(jì)

2.2.1 PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器通過將偏差的比例、積分和微分環(huán)節(jié)疊加到輸入中，來調(diào)整被控對象的行為，具有算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高的特點(diǎn)，比較適用于大體為線性且動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。圖7為PID控制器原理圖，其中虛線部分就是傳統(tǒng)的PID控制器。

其中輸入偏差e（t）的表達(dá)式為：

e（t）=r（t）-c（t） （1）

PID控制器是一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)控制器，其控制原理就是將被控對象的實(shí)際輸出c（t）反饋到PID控制器與輸入r（t）進(jìn)行比較，在計(jì)算出偏差e（t）后，通過PID控制器對其進(jìn)行相應(yīng)的各種組合的運(yùn)算，得到PID控制器的輸出量u（t）。輸出量u（t）的表達(dá)式為：

u（t）=KPe（t）+KIe（t）dt+KD （2）

式中：u（t）為控制系統(tǒng)輸出量;e（t）dt為被控對象在t時(shí)刻的誤差;為被控對象在t時(shí)刻的誤差變化率Δec（t）;KP、KI、KD為比例、積分、微分增益。比例增益Kp使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差;積分增益KI逐漸消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差;微分增益KD提前預(yù)測系統(tǒng)誤差變化趨勢，從而消除誤差，抑制調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的振蕩。

系統(tǒng)中控制參數(shù)的正確選取是達(dá)到控制目標(biāo)的關(guān)鍵，不合適的控制參數(shù)會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。

2.2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制器[6]主要由模糊化接口、模糊推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、解模糊化接口等五部分組成。模糊控制主要流程為：首先將系統(tǒng)的輸入變量根據(jù)比例因子轉(zhuǎn)化為模糊論域的模糊值，然后經(jīng)過模糊推理得到相應(yīng)的模糊控制量，最后經(jīng)過反模糊化運(yùn)算轉(zhuǎn)化為精確值輸出[7]。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

本模糊控制器將溫度偏差e（t）和溫度偏差變化率Δec（t）作為模糊控制器的輸入，以KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)的在線修正量ΔKP、ΔKI、ΔKD作為模糊控制器的輸出變量。

定義e（t）和Δec（t）語言變量為E與EC，根據(jù)它們將系統(tǒng)使用三角隸屬函數(shù)部分的基本論域設(shè)為偏差e∈[-1，1]，偏差變化率Δe∈[-0.5，0.5]。再把基本論域乘以相應(yīng)的比例因子Ke=6，KΔec=12，語言變量E與EC的模糊論域均為[-6，6]。定義ΔKP、ΔKI、ΔKD對應(yīng)語言變量為KP、KI、KD，基本論域分別為[-20，20]、[-10，10]和[-5，5]。再把基本論域乘以相應(yīng)的比例因子K0=20，K1=10，K2=5，語言變量KP、KI、KD論域均為[-1，1]。輸入與輸出變量的模糊子集均記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大?；谝陨蠗l件，采用三角形隸屬函數(shù)作為控制器輸入與輸出變量的隸屬函數(shù)[8]。

根據(jù)PID控制規(guī)律，制定KP、KI、KD的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

控制程序通過查詢模糊控制規(guī)則表得出每條控制規(guī)則的模糊關(guān)系，例如KP的E=NS，EC=PM，則KP=NS。系統(tǒng)選用最大隸屬度法將模擬量轉(zhuǎn)化成精確量，精確量乘以比例因子得到最終控制量。所有最終控制量都是在起始PID參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正的，在線整定KP、KI、KD參數(shù)的公式為：

KP=KPP+ΔKP （3）

KI=KII+ΔKI （4）

KD=KDD+ΔKD （5）

式中：KPP、KII、KDD均為PID控制器整定好的參數(shù)初始值，通過試湊法在預(yù)整定中得到;ΔKP、ΔKI、ΔKD分別對應(yīng)KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)的在線變量。

2.2.3 自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

合并上述PID控制與模糊控制器，組成該系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制器。自適應(yīng)模糊PID控制器[9]結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

3 試驗(yàn)與分析

輻射計(jì)接收機(jī)對溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求是在-45～60 ℃范圍內(nèi)，恒溫控制在54 ℃，溫控精度為

±0.05 ℃。根據(jù)指標(biāo)要求，對溫控系統(tǒng)開展試驗(yàn)，驗(yàn)證控制性能。

為使系統(tǒng)快速到達(dá)設(shè)定狀態(tài)，在設(shè)備升溫階段，溫控系統(tǒng)滿功率運(yùn)行，使系統(tǒng)快速達(dá)到溫控點(diǎn)附近，然后再加入自適應(yīng)模糊PID控制，如圖10所示。選擇恒溫一天的數(shù)據(jù)，如圖11所示。

圖10、圖11中，采樣周期為1 s，縱坐標(biāo)值為實(shí)際值的10倍。數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備開機(jī)后，接收機(jī)溫度能夠迅速到達(dá)恒溫點(diǎn)，并伴有輕微超調(diào)，最大超調(diào)溫度為0.1 ℃。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到恒溫溫度后，溫度最大偏差為±0.02 ℃，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

為了降低接收機(jī)溫度變化對微波輻射計(jì)測量結(jié)果的影響，保障其測量精度，本文針對QFW-6000型微波輻射計(jì)溫控性能要求，結(jié)合常規(guī)PID控制器與模糊控制器特點(diǎn)，將兩種控制從軟件上有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊PID溫度控制系統(tǒng)。最后，將溫控系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備中，驗(yàn)證控制器控制性能。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，最大溫度偏差只有±0.02 ℃，該溫控系統(tǒng)滿足溫控指標(biāo)要求。

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收稿日期：2024-05-29

作者簡介：李玉偉（1987—），男，山東日照人，碩士研究生，工程師，主要從事智能控制算法研究與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。